CN218097626U - 一种球形构件表面面形轮廓随形包络测量平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种球形构件表面面形轮廓随形包络测量平台，包括：第一运动台，该第一运动台可做旋转运动，该旋转的轴线为第一旋转轴线；第二运动台，该第二运动台可做旋转运动，该旋转的轴线为第二旋转轴线，该第二旋转轴线垂直于上述第一旋转轴线；所述第一运动台上设有第一夹具，用于夹紧待测量的测试构件；所述第二运动台上设有第二夹具，用于夹紧带适配的光学测头；所述第二运动台可带着所述光学测头围绕着所述测试构件旋转；可以测量具有高陡度、大曲率半径的构件的表面轮廓。

Description

一种球形构件表面面形轮廓随形包络测量平台

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特指一种球形构件表面面形轮廓随形包络测量平台。

背景技术

在航空航天、国防军工、信息通讯、生命科学和材料科学等领域，具有微纳米级精细结构的高精度形貌的高陡度曲面的构件，是如上诉领域中重要的一种器件；并且对微小的具有高陡度曲面的构件，对其表面轮廓的高精度测量是超精密测量领域的难点。

传统的测量仪器包括有三坐标测量仪、白光干涉仪。三坐标测量仪为接触式测量方法，其测量头的直径在数个毫米至数个厘米之间，因此，难以通过直径较大的测量头来测量尺寸较小的具有高精度曲面的构件。

白光干涉仪可以测量尺寸较小的具有高精度曲面的构件，但其用于测量平面或曲率较小的曲面，无法有效测量具有高陡度的曲面，因此其测量具有高陡度曲面的构件时，其测量精度较低。

因此，以上测量仪器及方法都无法准确测量体积微小的具有高陡度曲面的外形轮廓精细的构件。

发明内容

本发明的目的是提供一种球形构件表面面形轮廓随形包络测量平台，能够准确测量体积微小的具有高陡度曲面的构件。

本发明提供一种球形构件表面面形轮廓随形包络测量平台，包括：第一运动台，该第一运动台可做旋转运动，该旋转的轴线为第一旋转轴线，第一旋转轴线水平设置；第二运动台，该第二运动台可做旋转运动，该旋转的轴线为第二旋转轴线，第二旋转轴线竖向设置；该第二旋转轴线垂直于上述第一旋转轴线；所述第一运动台用于固定待测量的测试构件；所述第二运动台上设有光学测头；光学测头沿第二旋转轴线设置，并朝向所述测试构件；所述第二运动台可带着所述光学测头围绕着所述测试构件旋转；光学测头用于获取光学测头和测试构件表面之间的距离h；第一角度检测装置，用于检测第一运动台的旋转角度x1；第二角度检测装置，用于检测第二运动台的旋转角度x2；计算机，依据旋转角度x1、旋转角度x2和距离h获得球形构件表面面形轮廓。

根据本发明的实施例，所述第一角度检测装置为安装在第一运动台上的第一旋转编码器；所述第二角度检测装置为安装在第二运动台上的第二旋转编码器；所述光学测头电连接有数据传感器。

根据本发明的实施例，所述平台还包括：第一滑座，用于调节所述第一运动台在竖直方向的位移；所述第一运动台设置在该第一滑座上，该第一滑座带着所述第一运动台一起做Y向的直线运动；所述第一滑座电连接有第一直线编码器，第一直线编码器检测第一滑座在Y向的位移y。

根据本发明的实施例，所述平台还包括：第二导轨，用于限定第二滑座在Z向的直线运动；第二滑座，在所述第二导轨上做直线运动，该第二滑座电连接有第二直线编码器；第二直线编码器检测第二滑座在Z向的位移z；第三导轨，其设置在所述第二滑座上；第二滑座带着该第三导轨一起做X方向的直线运动；第三滑座，设置在第三导轨上；所述第三滑座电连接有第三直线编码器，第三直线编码器检测第三滑座在X向的位移x；所述第二运动台设置在该第三滑座上。

根据本发明的实施例，所述光学测头的光斑直径为10um；所述第一滑座、第二滑座和第三滑座的定位精度为-0.5～0.5um；第一运动台和第二运动台的定位精度为-8～8urad。

本实用新型相比现有技术突出且有益的技术效果是：

1、对比现有技术，本实用新型的技术将测量构件自转，并且将光学测头围绕测量构件旋转的设备和，可以测量具有高陡度、大曲率半径的构件的表面轮廓。

2、进一步，本实用新型所述的平台采用光学测头，进一步具备高精度的测量效果。

附图说明

图1是本实用新型一实施例中的一种高陡度曲面测量平台的结构示意图。

图2是本实用新型一实施例中的测量构件和光学测头的状态示意图。

图3是本实用新型一实施例中的另外一种测量构件和光学测头的状态示意图。

图4是本实用新型一实施例中一种高陡度曲面测量平台的过程示意图。

图5是本实用新型一实施例中配套图4中所述的平台示意图。

图6是本实用新型一实施例中另一种的过程示意图。

图7是本实用新型一实施例中配套图6中所述的平台示意图。

符号说明：

1-第一滑座；2-第二导轨；3-第三滑座；4-第三导轨；5-第二滑座；6-第二运动台；7-第二夹具；8-光学测头；9-测试构件；10-第一夹具；11-第一运动台；111-第一旋转轴线；61-第二旋转轴线；Y-第一方向；Z-第二方向；X-第三方向；101第一旋转编码器；201-第二直线编码器；501-第三直线编码器；601-第二旋转编码器；801-数据传感器。

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在配合以下附图的一优选实施例的详细说明，将清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前、后、内或外等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述：

高陡度的解释：单位距离，曲率半径越大，陡度越高；例如球体是一种高陡度的结构,参照图2中的测量构件9；高陡度结构还包括例如：高陡度非球面、高陡度凹形零件,参照图3中的测量构件9等。

本发明实施例中，参照图1，从调整测头与测量构件的相对位置关系出发，想要实现空间螺旋扫描路径的测量策略，提出一种基于XYZBC五轴超精密运动平台的高陡度曲面测量系统，该系统能够实现表面轮廓的随形包络测量参照图2和图3；并基于上述系统，提出一种测量方法，该测量方法包括一种基于两轴联动的测量方法参照图6和图7和一种基于四轴联动的测量方法参照图4和图5，都能够形成表面面形轮廓的随形包络螺旋轨迹，进而能够实现对测量构件的表面轮廓进行测量，该测量构件9为一种具有跨尺度、高陡度的构件。

具体来说，根据本发明一实施例，参照图1，实现上述的一种球形构件表面面形轮廓随形包络测量平台包括：第一运动台11，该第一运动台11可做旋转运动，该旋转的轴线为第一旋转轴线111，第一旋转轴线111水平设置；

第二运动台6，该第二运动台6可做旋转运动，该旋转的轴线为第二旋转轴线61，第二旋转轴线61竖向设置；该第二旋转轴线61垂直于上述第一旋转轴线111；

所述第一运动台11用于固定待测量的测试构件9；

所述第二运动台6上设有光学测头8；光学测头8沿第二旋转轴线61设置，并朝向所述测试构件9；所述第二运动台6可带着所述光学测头8围绕着所述测试构件9旋转；光学测头8用于获取光学测头8和测试构件9表面之间的距离h；

第一角度检测装置，用于检测第一运动台11的旋转角度x1；

第二角度检测装置，用于检测第二运动台6的旋转角度x2；

计算机，依据旋转角度x1、旋转角度x2和距离h获得球形构件表面面形轮廓。

由于第一旋转轴线111与第二旋转轴线61的垂直设置，当测试构件9旋转时，光学测头8能够绕着测试构件9旋转，两个旋转轴垂直设置，进而光学测头8能够对测试构件9形成随行包络轨迹，也就是说光学测头8能够采集到测试构件9的外形轮廓；并且这种方式，能够采集到具有高陡度的外形轮廓。

根据本发明一实施例，参照图5或图7，所述第一角度检测装置为安装在第一运动台11上的第一旋转编码器101；所述第二角度检测装置为安装在第二运动台6上的第二旋转编码器601；所述光学测头8电连接有数据传感器801。

上述两个旋转编码器，能够采集并解析到光学测头8和测试构件9的位置信息，两者的位置信息经过实时的记录，并且参照光学测头获取的轮廓数据，最后能够通过计算机还原出完整的面形轮廓，同时得到测试构件9的轮廓数据。

根据本发明一实施例，参照图1，上述系统还包括：第一滑座1，可向第一方向图中Y方向做直线运动，垂直于上述第一旋转轴线111，所述第一运动台11设置在该第一滑座1上，该第一滑座1带着所述第一运动台11一起做直线运动图中Y方向。所述第一滑座1电连接有第一直线编码器(图中未示出)，第一直线编码器检测第一滑座1在Y向的位移y。

参照图1和图5，所述系统还包括：第二导轨2，平行于第一旋转轴线111；第二滑座5，可在所述第二导轨上2沿着第二方向Z做直线运动，该第二方向Z平行于第一旋转轴线111；第三导轨4，垂直于第一旋转轴线111设置，并且设置在所述第二滑座5上，第二滑座5带着该第三导轨4一起做直线运动；所述第二滑座5电连接有第二直线编码器201。

参照图1和图5，所述系统还包括：第三滑座3，可在所述第三导轨上沿着第三方向图中X方向做直线运动，该第三方向X垂直于第一方向Y，该第三方向X垂直于第二方向Z，所述第二运动台6设置在该第三滑座3上，该第三滑座3带着所述第二运动台6一起做直线运动；所述第三滑座3电连接有第三直线编码器501。

上述系统具有分别能够向XYZ三个方向做直线运动的机构，具体来说，测试构件9能够转动的同时也能够向第一方向Y做直线运动，光学测头8能够转动的同时也能够向第二方向Z和第三方向X做直线运动，也就是说光学测头8能够在转动也能够在ZX平面做水平运动；进而光学测头8相对于测试构件9做复杂的相对运动，进一步，光学测头8可形成对测试构件9的任意随行包络轨迹。

进一步本系统还设有第二直线编码器201和第三直线编码器501，本系统可以通过计算机解析出高陡度的面形轮廓，例如但不限于球形轮廓。

根据本发明的一实施例，上述第一滑座1电连接有第一直线编码器图中未示出。

进一步的，本系统设有第一直线编码器、第二直线编码器201和第三直线编码器501，也就是说，本系统可以解析出更复杂的面形轮廓，例如但不限于同时具有凹形轮廓和凸形轮廓的构件。

根据本发明的另一实施例，与上述不同的是：图中未示出，所述系统还包括：第二导轨2，平行于第一旋转轴线111；第二滑座5，可在所述第二导轨4上沿着第二方向图中Z方向做直线运动，该第二方向Z平行于第一旋转轴线111；第一滑座1设置在所述第二滑座5上，第二滑座5带着该第一滑座4一起做直线运动；所述第二滑座5电连接第二直线编码器201。

根据本发明的实施例，所述光学测头8的光斑直径为10um；

所述第一滑座1、第二滑座5和第三滑座3的定位精度为-0.5um至0.5um；

第一运动台11和第二运动台6的定位精度为-8urad至8urad；

所述第一方向为Y轴方向，所述第二方向为Z轴方向，所述第三方向为X轴方向。

根据本发明一实施例，本发明还提供一种高陡度曲面测量方法，步骤如下：步骤a：调节光学测头8和测试构件9的位置，使光学测头8朝向所述测试构件9，并且使之具有一定的间隙；

步骤b：光学测头8开始测量测试构件9和光学测头8的距离h，并实时反馈数据；

步骤c：第一运动台11转动，带动测试构件9自转；第一角度检测装置实时反馈第一运动台1)的旋转角度x1；

步骤d：第二运动台6带动光学测头8围绕测试构件9转动；第二角度检测装置实时反馈第二运动台6的旋转角度x2；

计算机依据旋转角度x1和旋转角度x2计算光学测头8的光斑在球形构件表面行走的轨迹，计算机依据距离h计算出获得球形构件表面的凹凸轮廓；当光学测头8的光斑走遍球形构件表面的时候，计算机获取了球形构件表面面形轮廓。

进一步的，所述步骤a中，当距离h超出设定的范围时，实时调节第一滑座1在Y向的位移y，第二滑座5在Z向的位移z，以及第三滑座3在X向的位移x，使得距离h恢复设定的数值，并在计算过程中补偿位移y、位移z、位移x的变化量。

根据本发明一实施例中，所述步骤a还包括：调节第一滑座1带动测试构件9移动位置，调节第二滑座5和第三滑座3移动光学测头8的位置；

所述步骤d还包括：第二滑座5、第三滑座3和第二运动台6联动，带动光学测头8围绕测试构件9转动。

根据本发明一实施例中，上述方法还包括：

步骤e：采集第二直线编码器201、第三直线编码器501、第一旋转编码器101、第二旋转编码器601和光学测头8的测量数据；

步骤f：还原测试构件9的面形轮廓。

根据本发明一实施例中，步骤e还包括：采集第一直线编码器的测量数据。

根据本发明一实施例中，所述第二运动台6设于第三滑座3上，所述第三滑座3设于第三导轨4上，所述第三导轨4设于所述第二滑座5上，所述第二滑座5设于第二导轨2上；

所述步骤a还包括：调节第一滑座1带动测试构件9移动位置，调节第二滑座5和第三滑座3移动光学测头8的位置；

所述步骤c还包括：第一运动台1带动测试构件9自转；

所述步骤d还包括：光学测头8在第二滑座5、第三滑座3和第二运动台6的联动作用下围绕测试构件9旋转。

参照图4，以球形构件的面形测量为例，对工作原理做进一步说明，开始工作前，调整第一滑座1和第一运动台11的位置，带动测试构件9的中心位于第一旋转轴线111上；调整第二滑座5和第三滑座3和第二运动台6的位置，进而带动光学测头8的位置，使光学测头8位于第一旋转轴线111上，进一步光学测头8的光斑位于测试构件9的最大凸起处，并且使光学测头8与测试构件9的距离为h；位置调整完毕后，光学测头工作；第一运动台11带动测试构件9自转；第二滑座5和第三滑座3和第二运动台6联动，光学测头8开始由0°位置围绕测试构件9转动。

如图4，光学测头在初始状态下，检测到距离h₀；然后，光学测头以0°位置旋转至90°位置，此过程中,光学测头8的光斑在测试构件9的表面移动，结合第一运动台11的旋转角度x1和第二运动台6的旋转角度x2，就可以通过计算机模拟计算出光斑的移动轨迹，其移动轨迹是一条弧形的曲线；在光斑移动的过程中，由于测试构件9表面存在凹凸的情况，光学测头8检测到的距离h也会存在变化，该增加或减少的距离Δh代表测试构件9表面的凹凸值，光斑的移动轨迹就有了凹凸变化；

通过计算机控制第一运动台11和第二运动台6运动，使得光斑经过测试构件9的每一处表面，由线构成面，建立测试构件9的表面轮廓。

测量某些凹凸幅度较大的球形构件时，在轮廓扫描过程中，可能会出现距离h过大或过小的情况；距离h过小的时候，光学测头存在碰撞测试构件9表面的安全隐患，距离h过大的时候，会导致光学测头的检测精度降低；因此，出现距离h过大或过小时，计算机控制第一运动台11和第二运动台6暂停工作，并自动调节第一滑座1在Y向的位移y(记为位移变化量Δy)，第二滑座5在Z向的位移z(记为位移变化量Δz)，以及第三滑座3在X向的位移x(记为位移变化量Δx)，使得距离h恢复设定的数值(可以程序自动设置为初始的距离h₀)，并在计算过程中补偿位移变化量Δy、Δz、Δx，继续执行扫描工作。

在自动调节的过程中，按增减位移量y优先、位移量z次之、位移量x再次之的优先度进行调节；

在计算光斑的移动轨迹时，结合位移变化量Δy、Δz、Δx还原真实的位移量y、位移量z、位移量x，再纳入测试构件9表面轮廓计算。

上述过程中，第一旋转编码器101、第二旋转编码器601、第二直线编码器201和第三直线编码器501工作，解析测试构件9和光学测头8的包络轨迹，该包络轨迹进一步结合光学测头8的数据，通过计算机的计算得出测试构件9的轮廓模型和轮廓数据，也就是说得到了测试构件的测量数据，为后续的合格检验提供数据基础。上述光学测头8的开启，也可在位置调整之前。上述多轴联动的方法，不仅能够实现测量球形的测试构件，还能够实现测试凹形的测试构件；进一步，也能够实现测试既有凹面又有凸面的复杂轮廓，本发明，并不以此为限。

根据本发明另一实施例中，不同的是，上述步骤a包括：将待测量的构件9置于第二旋转轴线61上，使构件9的中心线与第二旋转轴线61重合，并且使光学测头8位于测试构件9的外围。

所述步骤d包括：所述第二运动台6自转，带动光学测头8围绕测试构件9转动。

步骤e1：采集第一旋转编码器101、第二旋转编码器601和光学测头8的测量数据；

步骤f：还原测试构件9的面形轮廓。

参照图6，以球形构件的面形测量为例，对工作原理作进一步说明，开始工作前，调整第一滑座1和第一运动台11的位置，带动测试构件9的中心位于第一旋转轴线111上；调整第二滑座5、第三滑座3和第二运动台6的位置，进而带动光学测头8的位置，使光学测头8位于第一旋转轴线111上，并且带动测试构件9置于第二旋转轴线61上，使构件9的中心与第二旋转轴线61重合，进一步光学测头8的光斑位于测试构件9的最大凸起处；位置调整完毕后，光学测头工作；第一运动台11带动测试构件9自转；第二运动台6转动带动光学测头8开始由0°位置围绕测试构件9转动，如图6，光学测头以0°位置旋转至90°位置，此过程中首先了光学测头8对测试构件9的轮廓扫描。上述过程中，第一旋转编码器101、第二旋转编码器601工作，解析测试构件9和光学测头8的包络轨迹，该包络轨迹进一步结合光学测头8的数据，通过计算机的计算得出测试构件9的轮廓模型和轮廓数据，也就是说得到了测试构件的测量数据，为后续的合格检验提供数据基础。

根据本发明另一实施例中，不同的是，所述第二运动台6设于第三滑座3上，所述第三滑座3设于第三导轨4上；所述第一运动台11设于所述第一滑座1上，第一滑座1设于第二滑座5上，所述第二滑座5设于第二导轨2上；

所述步骤a还包括：调节第一滑座11和第二滑座5带动测试构件9移动位置，调节第三滑座3移动光学测头的位置；

所述步骤c还包括：第二滑座5和第一运动台11带动测试构件9自转；

所述步骤d还包括：光学测头8在第三滑座3和第二运动台6的联动作用下围绕测试构件9旋转，光学测头8与测试构件9相对运动。

根据本实用新型的另一实施例，所述步骤a中还包括，测试之前先模拟一次轨迹，看会不会卡住，不卡住再进行实际测量。

根据本实用新型的另一实施例，所述步骤a中还包括，设定一个距离数值h，第二运动台6转动的过程中，若数值h过大或过小，程序直接进行介入补偿，实时计算。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明技术的实施方式做任何形式上的限制，并非依此限制本发明的保护范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容所公开的技术手段的范围，当可做些许的更动或修改为其它等效的实施例，都仍应视为与本发明实质相同的技术或实施例，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种球形构件表面面形轮廓随形包络测量平台，其特征在于，包括：

第一运动台(11)，该第一运动台(11)可做旋转运动，该旋转的轴线为第一旋转轴线(111)，第一旋转轴线(111)水平设置；

第二运动台(6)，该第二运动台(6)可做旋转运动，该旋转的轴线为第二旋转轴线(61)，第二旋转轴线(61)竖向设置；该第二旋转轴线(61)垂直于上述第一旋转轴线(111)；

所述第一运动台(11)用于固定待测量的测试构件(9)；

所述第二运动台(6)上设有光学测头(8)；光学测头(8)沿第二旋转轴线(61)设置，并朝向所述测试构件(9)；所述第二运动台(6)可带着所述光学测头(8)围绕着所述测试构件(9)旋转；光学测头(8)用于获取光学测头(8)和测试构件(9)表面之间的距离h；

第一角度检测装置，用于检测第一运动台(11)的旋转角度x1；

第二角度检测装置，用于检测第二运动台(6)的旋转角度x2。

2.根据权利要求1所述的一种球形构件表面面形轮廓随形包络测量平台，其特征在于，所述第一角度检测装置为安装在第一运动台(11)上的第一旋转编码器(101)；所述第二角度检测装置为安装在第二运动台(6)上的第二旋转编码器(601)；所述光学测头(8)电连接有数据传感器(801)。

3.根据权利要求1所述的一种球形构件表面面形轮廓随形包络测量平台，其特征在于，还包括：第一滑座(1)，用于调节所述第一运动台(11)在竖直方向的位移；所述第一运动台(11)设置在该第一滑座(1)上，该第一滑座(1)带着所述第一运动台(11)一起做Y向的直线运动；所述第一滑座(1)电连接有第一直线编码器，第一直线编码器检测第一滑座(1)在Y向的位移y。

4.根据权利要求3所述的一种球形构件表面面形轮廓随形包络测量平台，其特征在于，还包括：

第二导轨(2)，用于限定第二滑座(5)在Z向的直线运动；

第二滑座(5)，在所述第二导轨上做直线运动，该第二滑座(5)电连接有第二直线编码器(201)；第二直线编码器(201)检测第二滑座(5)在Z向的位移z；

第三导轨(4)，其设置在所述第二滑座(5)上；第二滑座(5)带着该第三导轨(4)一起做X方向的直线运动；

第三滑座(3)，设置在第三导轨(4)上；所述第三滑座(3)电连接有第三直线编码器(501)，第三直线编码器(501)检测第三滑座(3)在X向的位移x；

所述第二运动台(6)设置在该第三滑座(3)上。

5.根据权利要求3至4任一所述的一种球形构件表面面形轮廓随形包络测量平台，其特征在于，所述光学测头(8)的光斑直径为10um；

所述第一滑座(1)、第二滑座(5)和第三滑座(3)的定位精度为-0.5～0.5um；第一运动台(11)和第二运动台(6)的定位精度为-8～8urad。

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